有机太阳能新进展！

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背景介绍

近些年，有机太阳能电池（OSCs）由于其重量轻、低成本受到广泛关注。然而，制约这类电池普及的是其能源转化率较低。虽然经过先驱们对有机太阳能电池材料不断地更新优化，但是有机太阳能电池的能量转化效率相对于无机和钙钛矿电池较低，能量损失率也较大。因此如何减少能量损失，提高能量转化效率（PCE），是这类电池能否给我们生活带来变革的关键。

作者：Yanan Shi, Yilin Chang, Kun Lu, Zhihao Chen, Jianqi Zhang, Yangjun Yan, Dingding Qiu,Yanan Liu, Muhammad Abdullah Adil, Wei Ma, Xiaotao Hao, Lingyun Zhu, Zhixiang Wei

第一通讯地址：Chinese Academy of Sciences (CAS) key laboratory of nanosystem and hierarchical fabrication, National Center for Nanoscience and Technology, Beijing

本文合成了以Qx为中的受体Qx-1和Qx-2分子，对比Y6受体分子，新受体分子拥有更高的能量转化效率、较大的高开路电压以及较低的能量损失。这项工作强调了重组能在实现小能量损失的重要性，并为获得高性能有机太阳能电池铺平了道路。

工业和消费者衍生的有机微污染物(如药品、个人护理产品和农药)的加剧，对维持生态安全和清洁水源供应构成了重大挑战。通过先进的氧化工艺去除水中的有机微污染物(AOPs)主要受能源和(或)化学物质的过度投入以及矿化不完全所产生的大量残余物的影响。因此，迫切需要有效、负担得起和无害环境的处理技术来消除这些微污染物。

本文要点

1.从Qx-1和Qx-2的能量水平可以看出使用一个较弱的吸电子核Qx来取代Y6受体的BTZ核，这将削弱分子内电荷转移效应，导致能带增加。此外，Qx核给电子能力的增强导致了Qx-1和Qx-的HOMO和LUMO轨道能量的增加，更高的LUMO能级有利于器件中更高的开路电压VOC。

2.此外空穴转移给体和受体的HOMO之间能量的抵消以及电子转移给体和受体的LUMO的降低，进一步降低了激子离解的电压损失。

3.两种单晶都通过π-π叠加呈现一维排列，这种高度的叠加，增大了分子间的相互作用和电荷转移效率。除了合理的分子设计外，良好的相形貌和适度的相分离尺寸也是获得高效OSCs不可或缺的因素之一

4.激子解离到CT状态的过程有两种途径:通过电子转移的给体激子解离和通过空穴转移的受体激子解离。它们分别对应S₀→负离子(λ_S0→负离子)和S₁→负离子跃迁的重组能(分别为λ_S1→阴离子)。它们都与激子解离的重组能(λ_ED)有关。在非辐射电荷重组(λ_CR)的情况下，阴离子→S₀转变(λ_阴离子→S₀)的重组能和λ_S0→阴离子和λ_阴离子→S₀重组能的总和对应电子转移的重组能。根据Marcus理论，重组能越小，激子解离所需的驱动力就越小，因而激子转移和电荷转运就越快。

4.光致发光量子产率(PLQY)对抑制非辐射电压损失至关重要。其中，Qx-2和Qx-1的实测PLQYs分别为12.34%和分别为7.37%，远高于Y6(6.42%)，抑制了非辐射复合损失。

图文速递

图1.Qx-1和Qx-2的分子设计和光电表征

图片2. Y6, Qx-1和Qx-2受体的重组能

图片3. PM6为供体时Qx-1、Qx-2、Y6的光伏性能和能量损失

图片4. 形态、激子和电荷动力学

本文总结

本文报道了两个以Qx为中心的Qx-1和Qx-2受体。由于两个受体中C-C键拉伸的分子振动受到抑制，激子解离和非辐射复合产生的能量损失大大降低。此外，薄膜形态、激子和电荷动力学结果证明了这一理论。重组能较小的Qx-1和Qx-2受体具有更好的聚集模式、更好的激子寿命和更长的扩散长度，有助于在相应的OSCs中产生有效电荷。结果，PM6:Qx-1共混体系PCE为17.9%，能量损失为0.508 eV，而PM6:Qx-2体系PCE为18.2%，能量损失为0.482 eV，显著优于Y6共混体系。这对于目前报道的PCE超过17%的二元OSCs，其能量损失是最小的。这项工作强调了重组能在有机活性材料中实现小能量损失的重要性，从而为OSCs的高性能发展提供了一种策略。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30927-y

来源：科学研路漫漫Sci

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